Morphogenese - Morphogenesis

Morphogenese (aus dem Griechischen morphê shape and genesis Creation, wörtlich „die Erzeugung von Form“) ist der biologische Prozess , der eine Zelle , ein Gewebe oder einen Organismus dazu bringt , seine Form zu entwickeln. Es ist einer von drei grundlegenden Aspekten der Entwicklungsbiologie, zusammen mit der Kontrolle des Gewebewachstums und der Musterung der Zelldifferenzierung .

Der Prozess steuert die organisierte räumliche Verteilung von Zellen während der Embryonalentwicklung eines Organismus . Morphogenese kann auch in einem reifen Organismus stattfinden, wie bei der normalen Erhaltung von Gewebe durch Stammzellen oder bei der Regeneration von Geweben nach einer Schädigung. Krebs ist ein Beispiel für hochgradig abnormale und pathologische Gewebemorphogenese. Morphogenese beschreibt auch die Entwicklung einzelliger Lebensformen, die in ihrem Lebenszyklus kein embryonales Stadium haben. Die Morphogenese ist essentiell für die Evolution neuer Formen.

Morphogenese ist ein mechanischer Prozess, der Kräfte beinhaltet, die mechanischen Stress, Belastung und Bewegung von Zellen erzeugen, und kann durch genetische Programme entsprechend der räumlichen Strukturierung von Zellen innerhalb von Geweben induziert werden.

Geschichte

Einige der frühesten Ideen und mathematischen Beschreibungen darüber, wie physikalische Prozesse und Einschränkungen das biologische Wachstum und damit natürliche Muster wie die Spiralen der Phyllotaxis beeinflussen , wurden von D'Arcy Wentworth Thompson in seinem 1917 erschienenen Buch On Growth and Form und Alan Turing in seinem Buch geschrieben Die chemische Basis der Morphogenese (1952). Während Thompson erklärte, dass Tierkörperformen durch unterschiedliche Wachstumsraten in verschiedene Richtungen entstehen, beispielsweise um das spiralförmige Gehäuse einer Schnecke zu erzeugen , sagte Turing einen Mechanismus der Morphogenese richtig voraus, die Diffusion zweier verschiedener chemischer Signale, eines aktivierenden und eines deaktivierenden Wachstum, um Entwicklungsmuster aufzustellen, Jahrzehnte bevor die Bildung solcher Muster beobachtet wurde. Das umfassendere Verständnis der Mechanismen, die in tatsächlichen Organismen beteiligt sind, erforderte die Entdeckung der DNA- Struktur im Jahr 1953 und die Entwicklung der Molekularbiologie und Biochemie .

Genetische und molekulare Grundlagen

Die Morphogenese wird durch einen „Baukasten“ von Genen gesteuert, die die Entwicklung zu bestimmten Zeiten und an bestimmten Orten ein- und ausschalten. Hier werden Lückengene in der Fruchtfliege durch Gene wie bicoid eingeschaltet und bilden Streifen, die die segmentale Form des Körpers bilden.

Bei der Morphogenese sind mehrere Arten von Molekülen wichtig. Morphogene sind lösliche Moleküle, die diffundieren und Signale transportieren können, die die Zelldifferenzierung über Konzentrationsgradienten steuern. Morphogene typischerweise handeln , um spezifische Protein durch Bindung Rezeptoren . Eine wichtige Klasse von Molekülen, die an der Morphogenese beteiligt sind, sind Transkriptionsfaktorproteine , die das Schicksal von Zellen durch Interaktion mit DNA bestimmen . Diese können von regulatorischen Mastergenen kodiert werden und entweder die Transkription anderer Gene aktivieren oder deaktivieren ; diese sekundären Genprodukte wiederum können die Expression noch anderer Gene in einer regulatorischen Kaskade von Genregulationsnetzwerken regulieren . Am Ende dieser Kaskade stehen Molekülklassen, die zelluläres Verhalten wie Zellmigration oder allgemeiner ihre Eigenschaften wie Zelladhäsion oder Zellkontraktilität steuern . Zum Beispiel wird während der Gastrulation , Klumpen von Stammzellen schalt ihre Zell-zu-Zell - Adhäsion, wird wandernde und nehmen neue Positionen innerhalb eines Embryos , wo sie wieder aktivieren spezifische Zelladhäsionsproteine ab und neue Gewebe und Organe bilden. Entwicklungssignalwege, die an der Morphogenese beteiligt sind, umfassen Wnt, Hedgehog und Ephrine.

Zelluläre Basis

Aussortieren von Zellen mit kultivierten embryonalen P19-Karzinomzellen . Lebende Zellen wurden mit DiI (rot) oder DiO (grün) gefärbt. Die roten Blutkörperchen waren genetisch verändert und exprimieren höhere E-Cadherin- Spiegel als die grünen Blutkörperchen. Die Mischkultur bildet große mehrzellige Aggregate.

Auf Gewebeebene entsteht die Morphogenese ohne Berücksichtigung der Kontrollmittel aufgrund von Zellproliferation und Motilität. Morphogenese beinhaltet auch Veränderungen in der Zellstruktur oder wie Zellen in Geweben interagieren. Diese Veränderungen können zu Gewebedehnung, Verdünnung, Faltung, Invasion oder Trennung eines Gewebes in verschiedene Schichten führen. Letzterer Fall wird oft als Zellsortierung bezeichnet . Das "Aussortieren" von Zellen besteht darin, dass sich Zellen bewegen, um sich in Cluster zu sortieren, die den Kontakt zwischen Zellen des gleichen Typs maximieren. Die Fähigkeit von Zellen, dies zu tun, wurde von Malcolm Steinberg aufgrund seiner Differentialadhäsionshypothese auf die unterschiedliche Zelladhäsion zurückgeführt . Die Gewebetrennung kann auch über dramatischere zelluläre Differenzierungsereignisse erfolgen , bei denen Epithelzellen mesenchymal werden (siehe Epithel-Mesenchym-Übergang ). Mesenchymale Zellen verlassen typischerweise das Epithelgewebe als Folge von Veränderungen der Zelladhäsions- und Kontraktionseigenschaften. Nach dem epithelial-mesenchymalen Übergang können Zellen von einem Epithel wegwandern und dann mit anderen ähnlichen Zellen an einem neuen Ort assoziieren. Bei Pflanzen ist die zelluläre Morphogenese eng mit der chemischen Zusammensetzung und den mechanischen Eigenschaften der Zellwand verknüpft.

Zell-zu-Zell-Adhäsion

Während der Embryonalentwicklung sind Zellen aufgrund unterschiedlicher Affinitäten auf verschiedene Schichten beschränkt. Dies kann unter anderem passieren, wenn Zellen die gleichen Zell-zu-Zell- Adhäsionsmoleküle teilen . Homotypische Zelladhäsion kann zum Beispiel Grenzen zwischen Gruppen von Zellen aufrechterhalten, die unterschiedliche Adhäsionsmoleküle aufweisen. Darüber hinaus können Zellen basierend auf Unterschieden in der Adhäsion zwischen den Zellen sortiert werden, sodass sogar zwei Zellpopulationen mit unterschiedlichen Konzentrationen desselben Adhäsionsmoleküls aussortiert werden können. In Zellkulturen wandern Zellen mit der stärksten Adhäsion in das Zentrum eines gemischten Zellaggregats. Darüber hinaus wird die Zell-Zell-Adhäsion oft durch die Zellkontraktilität moduliert, die Kräfte auf die Zell-Zell-Kontakte ausüben kann, so dass sich zwei Zellpopulationen mit gleichen Konzentrationen des gleichen Adhäsionsmoleküls aussortieren können. Die für die Adhäsion verantwortlichen Moleküle werden Zelladhäsionsmoleküle (CAMs) genannt. Es sind mehrere Arten von Zelladhäsionsmolekülen bekannt, und eine Hauptklasse dieser Moleküle sind Cadherine . Es gibt Dutzende verschiedener Cadherine, die auf verschiedenen Zelltypen exprimiert werden. Cadherine binden sich auf ähnliche Weise an andere Cadherine: E-Cadherin (auf vielen Epithelzellen gefunden) bindet bevorzugt an andere E-Cadherin-Moleküle. Mesenchymale Zellen exprimieren normalerweise andere Cadherin-Typen wie N-Cadherin.

Extrazelluläre Matrix

Die extrazelluläre Matrix (ECM) ist daran beteiligt, Gewebe getrennt zu halten, strukturelle Unterstützung bereitzustellen oder eine Struktur für die Migration von Zellen bereitzustellen. Kollagen , Laminin und Fibronektin sind wichtige ECM-Moleküle, die sezerniert und zu Blättern, Fasern und Gelen zusammengesetzt werden. Transmembranrezeptoren mit mehreren Untereinheiten, die als Integrine bezeichnet werden, werden verwendet, um an die ECM zu binden. Integrine binden extrazellulär an Fibronektin, Laminin oder andere ECM-Komponenten und intrazellulär an Mikrofilament- bindende Proteine α-Actinin und Talin , um das Zytoskelett mit der Außenseite zu verbinden. Integrine dienen auch als Rezeptoren, um bei der Bindung an die ECM Signaltransduktionskaskaden auszulösen . Ein gut untersuchtes Beispiel für Morphogenese, die ECM beinhalten, ist die duktale Verzweigung der Brustdrüse .

Zellkontraktilität

Gewebe können ihre Form ändern und sich über die Zellkontraktilität in verschiedene Schichten aufteilen. Genau wie in Muskelzellen kann Myosin verschiedene Teile des Zytoplasmas zusammenziehen, um seine Form oder Struktur zu ändern. Myosin-getriebene Kontraktilität in der embryonalen Gewebemorphogenese wird während der Trennung der Keimblätter in den Modellorganismen Caenorhabditis elegans , Drosophila und Zebrafisch beobachtet . Bei der embryonalen Morphogenese gibt es häufig periodische Kontraktionsimpulse. Ein Modell, das als Zellzustandssplitter bezeichnet wird, beinhaltet eine abwechselnde Zellkontraktion und -expansion, die durch eine bistabile Organelle am apikalen Ende jeder Zelle eingeleitet wird. Die Organelle besteht aus Mikrotubuli und Mikrofilamenten in mechanischer Opposition. Es reagiert auf lokale mechanische Störungen, die durch morphogenetische Bewegungen verursacht werden. Diese lösen dann wandernde embryonale Differenzierungswellen der Kontraktion oder Expansion über mutmaßliches Gewebe aus, die den Zelltyp bestimmen, und es folgt die Zelldifferenzierung. Der Zellzustandssplitter wurde zuerst vorgeschlagen, um die Neuralplattenmorphogenese während der Gastrulation des Axolotl zu erklären, und das Modell wurde später auf die gesamte Morphogenese verallgemeinert.

Verzweigungsmorphogenese

In der Entwicklung der Lungen eines Bronchus verzweigt in Bronchiolen die Formungs respiratorischen Baumes . Die Verzweigung ist das Ergebnis der Verzweigung der Spitze jedes Bronchialschlauchs, und der Prozess der Verzweigungsmorphogenese bildet die Bronchien, Bronchiolen und schließlich die Alveolen.

Die verzweigte Morphogenese zeigt sich auch in der duktalen Bildung der Brustdrüse . Die Primitive Gangbildung beginnt in der Entwicklung , aber die Verzweigung des Gangsystems beginnt später als Reaktion auf Östrogen während der Pubertät und wird im Einklang mit der Entwicklung der Brustdrüsen weiter verfeinert.

Krebsmorphogenese

Krebs kann aus einer Störung der normalen Morphogenese resultieren, einschließlich sowohl der Tumorbildung als auch der Tumormetastasierung . Mitochondriale Dysfunktion kann aufgrund einer gestörten Morphogen-Signalübertragung zu einem erhöhten Krebsrisiko führen.

Virusmorphogenese

Bei der Montage des Bakteriophagen (Phagen) T4 - Virion , die morphogenetische Proteine , die von den Phagen kodierten Gene miteinander interagieren in einer charakteristischen Sequenz. Die Aufrechterhaltung eines angemessenen Gleichgewichts in den Mengen jedes dieser Proteine, die während einer Virusinfektion produziert werden, scheint für die normale Phagen-T4-Morphogenese kritisch zu sein. Phagen-T4-kodierte Proteine, die die Virionstruktur bestimmen, umfassen Hauptstrukturkomponenten, Nebenstrukturkomponenten und Nichtstrukturproteine, die spezifische Schritte in der Morphogenesesequenz katalysieren. Die Morphogenese des Phagen T4 ist in drei unabhängige Pfade unterteilt: den Kopf, den Schwanz und die langen Schwanzfasern, wie von Yap und Rossman beschrieben.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weiterlesen

Bard, JBL (1990). Morphogenese: Die zellulären und molekularen Prozesse der Entwicklungsanatomie . Cambridge, England: Cambridge University Press.
Slack, JMW (2013). Wesentliche Entwicklungsbiologie . Oxford: Wiley-Blackwell.

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